摘 要

在当今这个电子信息产业飞速发展的时代，LED产业在其中占据着不可缺少的地位，高质量的蓝宝石单晶被广泛应用于高亮度GaN基发光二极管（LED）的外延衬底材料。LED产业强烈要求通过生产较大直径的衬底（50.8毫米到100和150毫米）来降低生产成本。但是，采用较大直径的蓝宝衬底在外延工艺中会造成很大的困难，那是因为蓝宝石衬底的直径过大，导致翘曲度增加产生了应力，而蓝宝石衬底和III族氮化物薄膜之间的热膨胀系数存在较大的失配，这会导致蓝宝石衬底在用于GaN外延生长时时产生较大的热应力，从而使蓝宝石衬底存在的应力进一步增大。因此，需要在外延工艺前对蓝宝石衬底应力进行测量与调控，保证产品的合格率。

本文使用拉曼光谱仪对给定的50.8mm蓝宝石衬底的应力进行测量，然后通过飞秒激光对蓝宝石衬底进行加工，从而改变其应力，将蓝宝石衬底表面的压应力调整为拉应力，可以用来补偿蓝宝石衬底因为和III族氮化物外延因为热膨胀系数不同产生及晶格失配产生的压应力，从而使得蓝宝石衬底和III族氮化物外延更加适配。最后，利用有限元分析软件ANSYS对蓝宝石衬底在GaN薄膜外延生长期间表面的热应力进行模拟分析。

论文研究的重点是飞秒激光对蓝宝石衬底应力的优化。

研究结果表明：飞秒激光能改变蓝宝石衬底的翘曲度，从而改变蓝宝石衬底表面的应力，使得蓝宝石衬底更加适合氮化镓外延的生长。

关键词：蓝宝石衬底；拉曼光谱仪；飞秒激光；ANSYS

Abstract

In today's era of rapid development of electronic information industry, in which LED industry occupies an indispensable status, high quality sapphire single crystal is widely used as substrate of epitaxial high-brightness GaN-based light emitting diode (LED).LED industry is strongly required to reduce the cost of production by producing larger diameter substrates ( 50.8 mm to 100 and150 mm). However, the use of larger diameter sapphire substrates in the epitaxy process raises some difficulties. That is because when the diameter of the sapphire substrate gets bigger, the bow increases and the stresses are generated. Due to lattice mismatch and different thermal expansion coefficient of the sapphire substrate and the III nitride films, sapphire substrates used in epitaxial growth of GaN always have a greater thermal stress. The stress in sapphire substrate get further increased. Therefore, the stress of sapphire substrate need to be measured and adjusted before the epitaxial process to ensure the product quality.

In this article, the stress of given 50.8mm sapphire substrate was measured by using Raman spectroscopy. Then the femtosecond laser was used to process the sapphire substrate, to change its stress.The compressive stress in the surface of the sapphire substrate was adjusted to be tensile stress, which can be used to compensate the compressive stress caused by the difference of thermal expansion coefficients between the sapphire substrate and III nitride epitaxial and lattice mismatch. So that the sapphire substrate and the III-nitride become more adaptated. At last, finite element analysis software ANSYS was used to analyze the thermal stress in the surface of sapphire substrate during the GaN film epitaxial growth.

This thesis focuses on the study of femtosecond laser to optimize the stresses of sapphire substrate.

The results show that the femtosecond laser change the bow of sapphire substrate, so that the stress in the surface of the sapphire substrate is changed. And it makes the sapphire substrate becomes more suitable for the growth of GaN epitaxial.

Key Words：sapphire substrate; Raman spectroscopy; femtosecond laser; ANSYS

目录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文内容 2

第2章 拉曼光谱仪检测应力 3

2.1 拉曼光谱仪应力检测原理 3

2.2 蓝宝石衬底试件及拉曼光谱仪实验参数和实验过程 4

2.3 实验结果与残余应力计算 5

2.4 本章小结 6

第3章 飞秒激光加工蓝宝石衬底 7

3.1 飞秒激光介绍 7

3.2 实验原理及过程 7

3.3 实验结果分析 8

3.3.1 实验后蓝宝石衬底应力 9

3.4.1 实验前后蓝宝石衬底应力对比 9

3.4 本章小结 11

第4章 ANSYS仿真建模 12

4.1 蓝宝石衬底用于生长GaN外延薄膜介绍 12

4.2 ANSYS分析 13

4.2.1 ANSYS介绍 13

4.2.2 模型建立条件 15

4.2.3 模型建立过程 15

4.3 ANSYS结果分析 18

4.4 本章小结 19

第5章 总结 20

第6章 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 目的及意义

在LED行业，氮化镓（GaN）的氮化物半导体越来越引起人们的注意，因为它们是用于制造蓝色和绿色发光二极管最有前途的材料。但是直接生产大尺寸的氮化镓单晶体材料，所以告质量的氮化镓器件通常都是以蓝宝石、硅、碳化硅等材料作为衬底，通过异质外延的方法来制备的。与硅和碳化硅相比，蓝宝石衬底具有技术成熟，价格低廉等优点，所以蓝宝石衬底是用于III族氮化物外延生长最常见的衬底。但是，采用较大直径的蓝宝石衬底在外延工艺中会造成很大的困难，因为较大直径的蓝宝石衬底直径过大，翘曲度增加，从而造成晶格常数以及蓝宝石衬底和III族氮化物薄膜之年的热膨胀系数失配。而蓝宝石衬底翘曲度增加导致的蓝宝石和氮化镓薄膜外延的热膨胀系数失配造成的的最终的后果就是蓝宝石衬底的应力变大，从而减少蓝宝石衬底的使用寿命，甚至直接造成报废。

自从蓝宝石衬底在整个外延工艺中扮演重要的角色以来，蓝宝石衬底的应力就成为发光二极管获得较好的波长均匀性的一个重要参数。我们可以在硅片切割蓝宝石衬底过程中控制翘曲度的范围从而达到减小蓝宝石衬底内部应力的作用，但是因为在该过程中可以控制翘曲度的范围是非常有限的，一般只有-15到15微米，这意味着在该过程中可以控制的翘曲度的范围是有限的，并且会出现不充分的现象，特别是对于较大直径的蓝宝石衬底。这表明，通过这种方法来调节蓝宝石内部的应力的效果是很小的。因此，我们需要一个更有效的方法来在更大范围内控制蓝宝石衬底内部的应力，并且可以实现对应力的调控。

使用有限元软件ANSYS对蓝宝石衬底生长氮化物薄膜外延过程中的应力应变进行仿真，从而获得蓝宝石衬底在工业生产LED过程中的应力变化。从而和实验数据进行对比，检测实验的合理性。